Forschen am Mittelpunkt der Erde

Die Magie des Magnetfelds

Nordlichter (Aurora borealis) entstehen durch die Kollision von Sonnenwindpartikeln mit Gasmolekülen in der Erdatmosphäre. Dies geschieht vor allem in der Nähe der Pole, wo das Erdmagnetfeld unseren Planeten nur unzureichend abschirmt. Bild vergrößern
Nordlichter (Aurora borealis) entstehen durch die Kollision von Sonnenwindpartikeln mit Gasmolekülen in der Erdatmosphäre. Dies geschieht vor allem in der Nähe der Pole, wo das Erdmagnetfeld unseren Planeten nur unzureichend abschirmt.

Es war eine eigenartige Entdeckung, die die Chinesen gemacht hatten: Wenn sie mit bestimmten Steinen einige Male über eine Eisennadel strichen und diese dann frei beweglich aufhängten, richtete sich die Nadel immer in Nord-Süd-Richtung aus. Schnell erkannten sie, dass sich auf diese Weise ein nützliches Navigationsinstrument bauen ließ – der magnetische Kompass war erfunden. Allerdings streiten sich die Historiker, ob die Chinesen dieses Instrument tatsächlich schon 2500 v. Chr. einsetzten oder erst 270 n. Chr.. Die älteste schriftliche Überlieferung über die Benutzung eines Kompasses in Europa stammt aus dem Jahr 1190 n. Chr.. Anfang des 14. Jahrhunderts wurde diese „Wundernadel“ zu einer der wichtigsten Grundlagen, die es portugiesischen, spanischen und dann auch englischen Seefahrern ermöglichte, die Welt zu entdecken. Egal, ob Columbus, Magellan oder gänzlich unbekannte Abenteurer – kein Kapitän ging mehr auf große Fahrt über die Weltmeere, ohne einen Kompass an Bord zu haben.

Welche Kraft die Magnetnadeln ausrichtete – darüber rätselten die Gelehrten allerdings noch lange. Die Europäer glaubten zunächst, ein riesiger Magnetberg im Norden der Erde sei dafür verantwortlich. Und es wurde dringend davor gewarnt, sich dem Koloss auf Schiffen – die zum Großteil aus Eisen bestanden – zu nähern. Erste elementare Erkenntnisse gelangen dem Leibarzt der englischen Königin Elisabeth I., William Gilbert. Seine 1600 in London veröffentlichte Schrift „Über den Magneten“ ist ein Meilenstein der wissenschaftlichen Weltliteratur. Das Werk gab zum ersten Mal eine rationale Erklärung für die mysteriöse Eigenschaft der Kompassnadel, sich in Nord-Süd-Richtung auszurichten: die Erde selbst ist magnetisch. In seinen Experimenten benutzte Gilbert einen kugelförmigen Magneten als Modell. Indem er eine kleine Kompassnadel über dessen Oberfläche bewegte, reproduzierte er das Richtungsverhalten des Kompass auf der Erde.

Flüssiges Eisen unter Druck

Forscher vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung haben den möglichen Verlauf einer Umpolung mittels Computersimulation nachvollzogen. Bild vergrößern
Forscher vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung haben den möglichen Verlauf einer Umpolung mittels Computersimulation nachvollzogen.

Knapp einhundert Jahre später lag schließlich die erste Karte des Erdmagnetfelds vor. Sie zeigte Linien, die an das Feld eines großen Stabmagneten erinnerten. Seltsam schien den Wissenschaftlern damals die Tatsache, dass es viele Stellen auf der Erde gab, an denen eine Kompassnadel nicht genau nach Norden zeigte und sich deren Richtung mit der Zeit sogar veränderte – zwar nur leicht, aber über einen Zeitraum von einem Jahrzehnt deutlich messbar. Heute weiß man, dass die Stärke des Erdmagnetfelds in den vergangenen 160 Jahren (seitdem lässt sich diese Größe bestimmen) um fast zehn Prozent abgenommen hat. Und dass sich das gesamte Feld mehrfach innerhalb von Millionen Jahren umpolt: Der magnetische Nordpol wird dann zum Südpol und umgekehrt.

Das alles lässt sich mit dem inneren Aufbau der Erde weitgehend erklären, den Geophysiker inzwischen vor allem anhand seismologischer Messungen ermittelt haben. Demnach besteht der Erdkern zu rund 90 Prozent aus Eisen. Hier, tief im Inneren unseres Planeten, herrschen Temperaturen von über 3000 Grad Celsius. Obwohl der Schmelzpunkt von Eisen auf der Erdoberfläche bei 1539 Grad liegt, ist der innere Erdkern wegen des hohen Drucks fest. Um den Kern herum befindet sich jedoch flüssiges Eisen, das vom festen Kern erhitzt wird. An der Grenzfläche zwischen fester und flüssiger Phase steigt heißes Eisen nach oben, kühlt sich wieder ab und sinkt dann an anderer Stelle wieder nach unten. Dabei entstehen Wirbel und Turbulenzen. Doch der Erdkern aus Eisen wirkt nicht einfach wie ein großer Dauermagnet – das können die Wissenschaftler schon allein daraus schließen, dass Magnete bei hohen Temperaturen ihre magnetischen Eigenschaften verlieren.

Das Geheimnis des Geodynamos

Die Erde im Inneren: Nach den Modellvorstellungen wird durch die Rotation der Erde das flüssige Eisen im Kern zu schraubenförmigen Bewegungen parallel zur Erdachse gezwungen. Bild vergrößern
Die Erde im Inneren: Nach den Modellvorstellungen wird durch die Rotation der Erde das flüssige Eisen im Kern zu schraubenförmigen Bewegungen parallel zur Erdachse gezwungen.

1831 entdeckte Michael Faraday die elektromagnetische Induktion und damit die Grundlage für einen Dynamo: Bewegt man einen elektrischen Leiter in einem Magnetfeld, so fließt ein elektrischer Strom. Umgekehrt gilt: Wo elektrischer Strom fließt, entsteht ein Magnetfeld. Und das brachte die Forscher bei der Erklärung, wie das Erdmagnetfeld entsteht, auf die richtige Spur: Zu Beginn der Erdgeschichte erzeugte wahrscheinlich der Sonnenwind ein schwaches magnetisches Feld in der Umgebung des Planeten. Durch die Bewegung des flüssigen Eisens im Erdkern wurde ein elektrischer Strom induziert. Wie bei einem technischen Dynamo, zum Beispiel der Lichtmaschine im Auto, verstärkten sich Strom und Magnetfeld gegenseitig, bis der „Dynamo der Erde“ entstand. Das Erdmagnetfeld schützt vor energiereicher Strahlung aus dem All und ermöglicht nicht nur Seefahrern, vor allem in den vergangenen Jahrhunderten, das erfolgreiche Navigieren, sondern auch einer Reihe von Organismen, vorausgesetzt sie sind mit einem Magnetsinn ausgestattet – dazu gehören Insekten, Vögel, Fische und Säugetiere ebenso wie Bakterien.

Eines war jedoch nach wie vor unklar: Ein technischer Dynamo arbeitet nur bei einer ziemlich komplizierten Anordnung von Spulen und Schleifkontakten. Der Erdkern dagegen ist quasi eine große, elektrisch leitende Kugel, in der sämtliche Bauteile elektrisch kurzgeschlossen sind. Wie kommt es, dass ein solch homogener Dynamo trotzdem funktioniert? Eine Antwort auf diese Frage fanden die Wissenschaftler mittels Computersimulationen: Während es bei einem technischen Dynamo entscheidend ist, wie die Stromleiter geführt werden, muss im Erdkern die Strömung des Eisens bestimmte, relativ komplizierte Formen aufweisen. Besonders leicht entsteht ein Magnetfeld beispielsweise, wenn sich die Eisenströme wie auf Korkenzieherbahnen bewegen.

Am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau befasst sich Ulrich Christensen seit rund acht Jahren mit der Erforschung des Geodynamos. Der Forscher war weltweit einer der ersten, dem es gelang, diesen per Computer zu modellieren. Schmunzelnd erinnert sich Christensen an einen Forschungsaufenthalt 1997 in den USA: „Die frühen Modelle des Geodynamos benötigten monatelange Rechenzeiten auf den besten Supercomputern. Unserer Arbeitsgruppe standen aber nur kleine Rechner zur Verfügung – wir haben deshalb zunächst nicht gedacht, dass wir große Beiträge zur Erforschung des Geodynamos liefern könnten.“ Christensen und seine Kollegen beschränkten sich deshalb auf einfache Modelle, die sie auf einer kleinen Workstation realisierten: „Wir stellten uns den Erdkern als virtuelle Kugel aus flüssigem Eisen vor und ließen diese in einem Magnetfeld rotieren.“ Die Wissenschaftler wollten damit grundlegende Mechanismen der Entstehung des Erdmagnetfeldes untersuchen. „Große Hoffnung, dass wir damit ein Modell für einen sich selbst erhaltenden Dynamo entwickeln könnten, hatten wir nicht“, erinnert sich der Max-Planck-Direktor.

Doch die Forscher hatten Glück. Zufällig wählten sie Bedingungen für ihr virtuelles Experiment – beispielsweise für die Rotationsgeschwindigkeit der Kugel und die Zähigkeit des Eisens –, unter denen sich das Magnetfeld plötzlich verstärkte. „Bei den ersten Versuchen brach das System allerdings regelmäßig zusammen, wenn wir das äußere Magnetfeld abschalteten“, berichtet Christensen. Aber die Wissenschaftler gaben nicht auf und wurden schließlich für ihre Hartnäckigkeit belohnt. Es gelang ihnen, Bedingungen für ihren virtuellen Dynamo festzulegen, unter denen er ohne äußeres Magnetfeld arbeitete. Mit weit weniger Rechnerleistung als andere Gruppen hatten die Forscher ein Modell für den Geodynamo geschaffen. „Und weil dieses Modell vergleichsweise einfach war, haben wir damit sehr viel über die Mechanismen erfahren, die für die Erzeugung des Erdmagnetfelds verantwortlich sind“, sagt Christensen.

Ein Mega-Kraftwerk im Erdinneren

Der Dynamo der Erde wird als homogen bezeichnet, da alle "Bauteile“ elektrisch kurzgeschlossen sind. Dies lässt sich im Labor anhand des so genannten Karlsruher Dynamo-Experiments modellieren. Dabei wird flüssiges Natrium (Schmelzpunkt = 98 ºC) mit zunehm Bild vergrößern
Der Dynamo der Erde wird als homogen bezeichnet, da alle "Bauteile“ elektrisch kurzgeschlossen sind. Dies lässt sich im Labor anhand des so genannten Karlsruher Dynamo-Experiments modellieren. Dabei wird flüssiges Natrium (Schmelzpunkt = 98 ºC) mit zunehm

Allerdings produziert nicht einmal ein einfacher Fahrraddynamo Licht, ohne dass jemand in die Pedale tritt. Es stellt sich also die Frage: Was treibt den gewaltigen Dynamo der Erde an? Woher stammt die Energie, die dazu nötig ist? Diesem Problem widmete sich der Forscher mit wesentlich leistungsfähigeren Rechnern. Und diese lieferten dann auch sehr viel genauere Daten über die Stärke und die zeitlichen Veränderungen des Erdmagnetfelds sowie dessen großräumige Struktur auf der Erdoberfläche. Bei allem Fortschritt in der Computertechnik müssen Ulrich Christensen und seine Kollegen jedoch nach wie vor Kompromisse eingehen. Damit die aufwändigen mathematischen Modelle nicht extrem lange Rechenzeiten in Anspruch nehmen, erhöhen sie beispielsweise die Zähigkeit des flüssigen Eisens in ihrem virtuellen Erdkern. So entstehen lediglich großräumige Flüssigkeitsbewegungen, die sich schneller berechnen lassen als die vielen kleinen Wirbel, die man in der turbulenten Strömung des realen Erdkerns erwartet. „Damit stellt sich aber die Frage, ob diese Modelle wirklich realistisch genug sind, um sie für die Berechnung des Energiebedarfs des Erddynamos heranzuziehen“, erklärt der Geophysiker.

Die Antwort lieferte kein virtuelles, sondern ein reales Experiment am Forschungszentrum Karlsruhe unter der Leitung von Ulrich Müller. Zusammen mit Andreas Tilgner vom Institut für Geophysik der Universität Göttingen haben die Max-Planck-Forscher die Ergebnisse ausgewertet. Das so genannte Karlsruher Dynamo-Experiment erlaubt es, einen homogenen Dynamo im Labor zu betreiben. Dazu wird eine Tonne flüssiges Natrium durch ein rund ein Meter hohes Röhrensystem aus Edelstahl gepumpt. Da beide Materialien gute elektrische Leiter sind und sich die Röhren berühren, sind alle Teile elektrisch kurzgeschlossen – genau wie beim homogenen Geodynamo. Die Röhren enthalten außerdem Leitbleche, die so geformt sind, dass das flüssige Natrium wie auf Korkenzieherbahnen durch die Röhren fließt. Somit entsteht jene komplexe Strömung, die die Forscher im Erdkern vermuten, in ihren Computermodellen aber nicht berücksichtigen.

Das Ergebnis: Tatsächlich deckte sich der Wert für den Energiebedarf, den die Forscher zuvor am Computer für denselben Versuchsaufbau berechnet hatten, mit der Energie, die benötigt wurde, um den homogenen Dynamo im Labor zu betreiben. „Die komplizierten, kleinen Wirbel und Strömungen, die wir mit dem Karlsruher Dynamo-Experiment erzeugen, haben keinen Einfluss auf den Energiebedarf des homogenen Dynamos,“ erklärt Christensen, „und das heißt, dass wir mit unseren Computermodellen sehr wohl realistische Daten für den Geodynamo erwarten können“.

Nach diesen Berechnungen verschlingt der Dynamo der Erde zwischen 200.000 und 500.000 Megawatt – das entspricht der Leistung einiger hundert Großkraftwerke. Für ein gigantisches System wie die Erde ist dies nicht besonders viel. Die Wissenschaftler gehen deshalb davon aus, dass der Energiebedarf durch das langsame Abkühlen des Erdkerns gedeckt wird – eine besondere Energiequelle im Kern, beispielsweise basierend auf radioaktivem Zerfall von Spurenelementen (etwa Kalium), halten sie nicht für nötig. Ein wesentlicher Teil der Energieabgabe des Kerns beruht im Übrigen darauf, dass der innere, feste Kern stetig wächst, indem flüssiges Eisen an ihm „ausfriert“. Dadurch verlieren die Eisenatome Bewegungsenergie, die dann zum Betrieb des Geodynamos zur Verfügung steht.

Mit seinen Berechnungen konnten Ulrich Christensen und sein Team auch einen wichtigen Beitrag zur Diskussion um das Alter des festen Erdkerns liefern. Laut früheren Berechnungen schätzten Experten den Energiebedarf des Geodynamos nämlich drei bis zehn Mal höher als die von den Max-Planck-Forschern berechneten Werte. Danach wäre der innere Erdkern aber auch drei bis zehn Mal schneller gewachsen und folglich nur etwa eine Milliarde Jahre alt. Gesteinsanalysen zeigen jedoch, dass das Erdmagnetfeld seit mindestens drei Milliarden Jahren existiert. Vor der Entstehung des festen Erdkerns müsste also ein völlig anderer Mechanismus für den Antrieb des Geodynamos gesorgt haben – keine sehr realistische Annahme. „Nach unseren Berechnungen kühlt sich der Erdkern deutlich langsamer ab als bisher angenommen,“ erklärt Christensen. „Damit wäre der innere Erdkern 2,5 bis 3,5 Milliarden Jahre alt. Und dies stimmt relativ gut mit den Ergebnissen aus Gesteinsanalysen überein.“

GEOMAX Ausgabe 9, Winter 2004; Autorin: Ute Hänsler

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